基于CAN总线的可燃气体报警器

1、摘要摘要在石油化工企业，一旦发生可燃气体的泄漏而未采取有效的措施，将会对人员对财产产生极大的影响，甚至会产生毁灭性的灾难。对可燃气体泄漏作出预先判断，在事故未扩大之前采取措施，可以避免事故的发生；而can总线在可靠性，实时性和灵活性方面都有突出优点。本课题将这两方面结合起来，设计了基于can总线的可燃气体报警器。本文采用计算机技术、电子技术、信号处理技术和总线技术，研制了以at89c51微处理器为核心的基于can总线的可燃气体报警器，该报警器主要由信号采集电路，报警电路，电源电路，数据转换电路，显示电路，can总线接口电路等组成。能够实现对工业现场可燃气体浓度的采集、传送和报警控制。在软件方面

2、本文对can总线可燃气体监控系统的软件流程进行了细致的分析并着重叙述了89c51 与can 控制器sja1000 的通讯设计，并对can 节点初始化、报文发送和报文接收进行了深刻细致的描述。在本文最后，对可燃气体监控系统的可靠性进行了阐述并提出了切实有效的软硬件结合方案。关键词：报警器；可燃气体；can总线iabstratabstract in the petrochemical enterprises, the event of a flammable gas leakage and failed to take effective measures for the staff of the

3、 property have great influence, and will even have a devastating disasters. the fuel gas leakage prejudging the accident was not enlargement to take measures to prevent accidents; and can bus in reliability, and flexibility are obvious advantages. the subject of the two combine design based on can b

4、us combustible gas detector.this article the use of computer technology, electronics, signal processing technology and bus technology, developed by at 89 c 51 microprocessor as the core, based on can bus combustible gas detector, the detector mainly by the signal acquisition circuits and alarm circu

5、its, power supply circuits and data conversion circuits, show circuit, can bus interface circuit. to achieve the industrial field flammable gas concentrations in the collection, transmission and police control.in terms of software in this article can bus flammable gas control system software process

6、 carried out a detailed analysis and highlights the 89 c 51 and can control manager sja 1000 of communications, and the can node initialization, messaging and reported the receipt of profound and meticulous description.at the end of this article, the flammable gas control system reliability elaborat

7、ed and put forward practical and effective software and hardware of the programme.key words: warning; inflammable gas; can busii目录摘要iabstractii1 绪论11.1引言11.2国外现场总线发展概况11.3现场总线现有水平及发展趋势21.4本文研究的主要内容32 现场总线概述32.1 现场总线的发展42.1.1 自动控制领域的发展过程42.1.2 现场总线崛起的过程42.1.3现场总线控制系统对dcs 的挑战和变革52.2现场总线系统的组成52.3现场总线的技

8、术特点62.4 can总线的概述82.4.1 can 总线的产生与发展82.4.2 can 总线特点82.5 can 总线的一些基本概念92.6 can 总线的位数值表示与通信距离112.7 can 总线分层结构122.8 can 总线应用系统的基本结构133 系统的总体设计143.1系统的功能143.2系统的总体框图153.3系统的实现方法154 系统的硬件设计164.1单片机控制器的选择164.2信号采集电路设计184.3数据采集电路设计184.3.1 ad0809的功能特点184.3.2 adc0809硬件结构194.4 led显示电路设计204.5声光报警电路的设计214.6can接口

9、电路的设计224.6.1 can 控制器sja1000224.6.2 驱动器82c250硬件电路及功能234.6.3 光电隔离器件245 系统的软件设计255.1软件设计说明25511任务分析25512系统分析265.2 cpu 与sja1000 的通讯设计285.2.1 初始化子程序285.2.2 报文发送子程序295.2.3 报文接收中断子程序306 系统可靠性设计316.1 系统抗干扰性设计316.1.1硬件抗干扰措施326.1.2软件抗干扰措施3262提高元器件的可靠性326.3容错技术33结论1致 谢35参考文献1附录1电路原理图1附录2381.sja1000 初始化子程序382.s

10、ja1000 发送子程序子程序403.sja1000 中断接收子程序42附录a 科技文章翻译1河北工程大学毕业设计说明书1 绪论1.1引言 随着近代工业的进步，在生活、工业上排放的气体种类、数量都日益增多。这些气体如天然气、液化石油气等都是易燃、易爆或对人体有害的，我们需要对各种有害气、可燃气体在环境中存在的情况进行有效的监控。可燃气体监控系统作为一种检测可燃气体泄漏并及时发出声光报警等预防着火、伤亡的安全装置，在全国各大油田、油库、炼油厂、化工厂、液化气厂以及煤矿都得到应用。如大庆、吉林、胜利、克拉玛依等油田都应用这类可燃气体监控系统来预防灾害事故发生。其中，仅油田每年需要的报警器都在数万台

11、以上。以各省油库、加油站为例，如仅哈尔滨市油库加油站就不下500个，根据消防安全条例的有关规定，每个油库、加油站必须配备安全报警装置，由此可见全国这方面的可燃气体报警装置需求量非常大。目前广泛应用于石油化工、天然气、矿井、冶金、油库等众多场所的可燃气体检测设备大都是一种固定的连续测量环境中可燃气体浓度，并输出与被测气体浓度成正比的420ma标准模拟信号仪表，它可以直接与dcs、plc以及数据采集等系统相连接，但不符合仪表数字化网络化的发展趋势，不能用于目前发展较快的新型现场总线控制系统。因此为了适应新型现场总线控制系统的发展趋势，降低系统成本，提高系统性能，研制一种现场总线式可燃气体报警器就显

12、得很有必要性。1.2国外现场总线发展概况对于计算机控制系统来说，最早提出现场总线并应用者是美国inter计算机公司。早在1984 年，他们就提出了一种计算机分布式控制系统（bitbus），那时不叫现场总线，人们一般称之为位总线，它主要是将低速的面向过程的输入输出通道与高速的计算机总线（multibus）多总线分离，形成了现场总线的最初概念，由于（bitbus）价格较贵，用一段时间之后，人们就很少问及了。20世纪80 年代中期，美国rosemount 公司开发了一种可寻址的远程传感器（hart）通信协议。它是采用在420ma 模拟信号上叠加了一种频率信号，用双绞线实现数字信号传输。虽然hart协

13、议本身还不够成现场总线，但它已是现场总线的雏形。1985 年由honeywell 和bailey 等大公司发起，成立了worldfip，也制定了一种协议，其代表产品为fip 协议。到1987 年，以siemens，rosemount，横河等几家著名公司为首也成立了一个专门委员会isp，并制定了profibus 协议。德国政府认可并确定其为国家标准din9245。后来美国仪器仪表学会也制定了现场总线标准iec/isasp50。随着时间的推移，世界逐渐形成了两个针锋相对的互相竞争的现场总线集团：一个是以siemens、rosemount横河为首的互操作系统isp 集团；另一个是由honeywell

14、、bailey 等公司牵头的worldfip 集团。1994 年，两大集团宣布合并，融合成现场总线基金会（fieldbus foundation）简称ff。对于现场总线的技术发展和制定标准，基金委员会取得以下共识：共同制定遵循iec/isasp50 协议标准；商定现场总线技术发展阶段时间表。1.3现场总线现有水平及发展趋势国际上现有40 多种现场总线，但影响较大的主要有ff、profibus、can、lonworks等。围绕着现场总线技术的标准化，世界上各大厂商展开了激烈竞争，并主要形成了ff和profibus 两大阵营，都希望能够统一整个世界市场。目前现场总线产品主要是低速总线产品，应用于运

15、行速率较低的领域，对网络的性能要求不是很高。从应用状况看，无论是ff 和profibus，还是其他一些现场总线，都能较好地实现速率要求较慢的过程控制。因此，在速率要求较低的控制领域，谁都很难统一整个世界市场。而现场总线的关键技术之一是互操作性，实现现场总线技术的统一是所有用户的愿望。今后现场总线技术如何发展、如何统一，是所有生产厂商和用户十分关心的问题。高速现场总线主要应用于控制网内的互连，连接控制计算机、plc 等智能程度较高、处理速度快的设备，以及实现低速现场总线网桥间的连接，它是充分实现系统的全分散控制结构所必须的。目前这一领域还比较薄弱。因此，高速现场总线的设计、开发将是竞争十分激烈的

16、领域，这也将是现场总线技术实现统一的重要机会。而选择什么样的网络技术作为高速现场总线的整体框架将是其首要内容。现场总线技术的发展应体现为两个方面：一个是低速现场总线领域的继续发展和完善；另一个是高速现场总线技术的发展。作为新一代控制系统的体系结构，现场总线技术将具有如下技术指标：（1）实现系统的全分散控制；（2）系统的开放性；（3）现场设备的智能化与功能自治性；（4）互操作与互用性；（5）对现场环境的适应性。1.4本文研究的主要内容本课题以可然气体检测为研究对象，以can总线技术为现场总线基础，最终实现可燃性气体检测系统的现场总线化。因此，总线型可燃气体报警器就是具有智能功能和通讯功能的can

17、网络节点。本文研究的主要内容包括一下几点：1收集现场总线的资料，掌握目前国内外现有产品的技术特点和发展趋势。2进行can总线型可燃气体监控系统的总体方案设计。3. 进行硬件设计，包括接口电路以及绘制pcb电路图。4实现总体方案的各项功能，规划流程图，进行程序的编写。5对系统的可靠性进行研究。2 现场总线概述在计算机自动控制系统急速发展的今天，特别是考虑到现场总线已经普遍地渗透到自动控制的各个领域的现实，现场总线必将成为电工自动控制领域主要的发展方向之一。现场总线技术一直是国际上各大公司激烈竞争的领域；并且国外大公司已经在大力拓展中国市场，发展我国的现场总线产品已经刻不容缓。现场总线对自动化技术

18、的影响意义深远。当今可以认为现场总线是提高自动化系统整体水平的基础技术，对国民经济影响重大。因此，要在自动化领域中推广和发展现场总线。现场总线是近年来自动化领域中发展很快的互连通信网络，具有协议简单开放、容错能力强、实时性高、安全性好、成本低、适于频繁交换等特点。目前，国际上各种各样的现场总线有几百种之多，统一的国际标准尚未建立。较著名的有基金会现场总线（ff）、hart 现场总线、can 现场总线、lonworks 现场总线、profibus 现场总线、modbus、pheonix 公司的interbus、asinterface 总线等。自动化控制系统就是通信网络把众多的带有通信接口的控制设

19、备、检测元件、执行器件与主计算机连接起来，由计算机进行智能化管理，实现集中数据处理、集中监控、集中分析和集中调度的新型生产过程控制系统。2.1 现场总线的发展2.1.1 自动控制领域的发展过程50 多年前，第一代过程控制体系是基于315psi 的气动信号标准（气动控制系统pcs，pneumatic control system）简单的就地操作模式，控制理论初步形成，尚未有控制室的概念。第二代过程控制体系（模拟式或acs，analogous control system）是基于010ma或420ma 的电流模拟信号，这一明显的进步，在整整25 年内牢牢地统治了整个自动控制领域。它表征了电气自动控

20、制时代的到来。控制理论有了重大发展，三大控制论的确立奠定了现代控制的基础；控制室的设立，控制功能分离的模式一直沿用至今。第三代过程控制体系（ccs，computer control system）。70 年代开始了数字计算机的应用，产生了巨大的技术优势，人们在测量，模拟和逻辑控制领域率先使用，从而产生了第三代过程控制体系（ccs，computer control system）。这个被称为第三代过程控制体系是自动控制领域的一次革命，它充分发挥了计算机的特长，于是人们普遍认为计算机能做好一切事情，自然而然地产生了被称为“集中控制”的中央控制计算机系统，需要指出的是系统的信号传输系统依然是大部分沿

21、用420ma 的模拟信号，但是时隔不久人们发现，随着控制的集中和可靠性方面的问题，失控的危险也集中了，稍有不慎就会使整个系统瘫痪。所以它很快被发展成分布式控制系统（dcs）。第四代过程控制体系（dcs，distributed control system 分布式控制系统）：随着半导体制造技术的飞速发展，微处理器的普遍使用，计算机技术可靠性的大幅度增加，目前普遍使用的是第四代过程控制体系（dcs，或分布式数字控制系统），它主要特点是整个控制系统不再是仅仅具有一台计算机，而是由几台计算机和一些智能仪表和智能部件构成一个了控制系统。于是分散控制成了最主要的特征。除外另一个重要的发展是它们之间的信号传

22、递也不仅仅依赖于420ma 的模拟信号，而逐渐地以数字信号来取代模拟信号。第五代过程控制体系（fcs，fieldbus control system 现场总线控制系统）：fcs是从dcs 发展而来，就像dcs 从ccs 发展过来一样，有了质的飞跃。“分散控制”发展到“现场控制”；数据的传输采用“总线”方式。但是fcs 与dcs 的真正的区别在于fcs有更广阔的发展空间。2.1.2 现场总线崛起的过程80 年代，微处理器及其相关技术的不断发展，使得数据传送环节成为dcs 发展的瓶颈。1982 年，现场总线的概念首先在欧洲提出，两年后于1984 年各国开始进行现场总线标准的研究和制定。1986 年

23、由rosemount 提出的通讯协议hart（highway addressableremote transducer，可寻址远程传感器数据通路），主要是在420ma 的dc 信号上叠加fsk（frequency shift keying，频率调制键控）数字信号，结果取得了很好的效果，同时interbus 等简单的现场总线也都取得了成功。这样dsc 的发展的重点落在了现场总线上，开始了被称为第五代过程控制体系（fcs，fieldbus control system 现场总线控制系统）的时代。fcs 是从dcs 发展而来，有一个量变到质变的过程。从表面上来看，fcs 与dcs 区别仅仅在于从“分

24、散控制”发展到“现场控制”；数据的传输从“点到点”到“总线”方式。其实不然，当时系统论的观点已被广泛地接受，人们开始以大系统的概念来看待整个过程控制体系。系统的增大，导致了网络的通讯技术急剧发展；于是科技界充分认识到在计算机系统的发展中起过重要作用的总线技术可以大大地推进控制系统的发展。整个控制系统就像是一台巨大的”计算机”按总线方式运行，这样资源的共享成了fcs 的主要发展空间，于是现场总线应运而生，并且以前所未有的激烈程度展开了市场竞争。2.1.3现场总线控制系统对dcs 的挑战和变革（1）fcs的信号传输实现了全数字化，从最底层的传感器和执行器就采用现场总线网络，逐层向上直至最高层均为通

25、信网络互联。（2）fcs系统的结构是全分散式的。fcs废弃了dcs的输入/输出单元和控制站，由现场设备或现场仪表取而代之，即把dcs控制站的功能化整为零，分散的分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站，实现彻底的分散控制。（3）fcs的现场设备具有互操作性，不同厂商的现场设备既可互联也可互换，并可以统一组态，彻底改变传统dcs控制层的封闭性和专用性。（4）fcs的通信网络为开放式互联网络，既可与同层网络互联，也可以与不同层网络互联，用户可极其方便的共享网络数据库。（5）fcs的技术和标准实现了全开放性，无专利许可要求，可供任何人使用，从总线标准、产品检验到信息发布是全公开的，面向世界任何一个制造商和

26、用户。2.2现场总线系统的组成现场总线是一种互联现场自动化设备及其控制系统的双向数字通信协议。一个现场总线系统可以看成是一个由数字通信设备和监测监控设备组成的分布式系统。实际上，现场总线就是一种计算机网络，这个网络上的每一个节点就是一个智能化设备。现场总线由网络通信、功能模块、对象字典和设备描述、网络管理、系统管理等部分组成。 2.3现场总线的技术特点现场总线技术是3c技术（computer、control、communication）从控制层发展到工艺设备现场的技术结果，现场总线技术的特点如下： （1） 增强了现场级信息集成能力现场总线可从现场设备获取大量丰富信息，能够更好的满足工厂自动化及

27、cims 系统的信息集成要求。现场总线是数字化通信网络，它不单纯取代4-20ma 信号，还可实现设备状态、故障、参数信息传送。系统除完成远程控制，还可完成远程参数化工作。（2） 开放式、互操作性、互换性、可集成性不同厂家产品只要使用同一总线标准，就具有互操作性、互换性，因此设备具有很好的可集成性。系统为开放式，允许其它厂商将自己专长的控制技术，如控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去，因此，市场上将有许多面向行业特点的监控系统。（3） 系统可靠性高、可维护性好基于现场总线的自动化监控系统采用总线连接方式替代一对一的i/o 连线，对于大规模i/o 系统来说，减少了由接线点造成的不可靠因素。

28、同时，系统具有现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化工作，也增强了系统的可维护性。（4） 低成本由于现场总线的通信是全数字式的且它的控制功能完全由现场设备去执行，因此不需要输入、输出及其它控制板；而且现场装置可直接与操作台相连，不再需要用于联接各控制板的”数据高速公路”，上述各部分的冗余在现场总线系统里自然也就不再需要了。现场总线系统只保留集散控制系统（dcs）中的现场设备及操作站，操作站已不再是系统的关键部分。现场总线设备可以执行多种测量、控制和计算，因此减少了变送器的数量，不再需要单回路调节器和计算元件，从而节省了费用。（5）组态简单由于所有仪

29、表都引入了功能模块，组态变得非常相似或简单，不需要因为自动化设备种类不同或组态方法的不同而进行培训或学习编程语言。所有的生产厂商都使用相同的现场总线功能模块。功能模块是以用户自定义的标识符和标准参数为基础的，用户可以根据标识符来指定某一设备，毋需考虑设备地址、存储记忆地址和比特编号等。组态可通过计算机编辑，然后下装至现场自动化设备。由于不同厂商、不同型号的仪表的校准、量程设定和诊断等的操作程序是一致的，使得培训操作员简单化和设备的更新。现场总线已有大量的功能模块，且新的功能模块仍在不断增加。（6） 查索更多的信息及诊断状况数字通信使用户从控制室中查询所有设备的数据、组态、运行和诊断信息成为现实

30、。而且现场总线的多变量特性为仪表及其它自动化设备的革新提供了更广阔的天地。现场设备的自诊断功能使故障可以及时地被报告，使检修人员在事故发生之前可及时确定潜在事故地点并进行维修。硬件（如传感器、执行器和记忆单元）故障，软件方面（如组态和校准）的问题都能够被及时报告。操作人员毋需把变送器送去检测就可获得所需信息，从而大大节省了时间和成本。（7） 安装、运行、维修简便由于现场仪表是并行连接，端子接头核对的工作量大大减少了，所以接线简单，一条电缆通常可连接20 个设备。现场总线设备能够模拟输入值、输出值或状态。这使得操作员在控制室内便能够测试系统对故障及过程状况的反应。现场总线可以存储有用的信息以便于

31、维修，信息不会丢失。大量的有用信息也被存储于自动化设备中，这些既可以从手持终端获取，又可从操作站获取。（8） 自由选择不同品牌设备所有现场总线产品采用统一的标准，这使用户可以自由选择不同制造商所提供的设备。（9） 数据库的一致性现场总线采用完全分散的数据库概念。任何同现场总线接口的人机界面都可显示有关信息，这样就不会有重复的、不一致的数据库。现场总线只使用一个数据库，即分散于现场仪表中的数据库，人机界面就是从此数据库中获取”定标数据”的，手持终端所查索的也是同一个数据库。2.4 can总线的概述2.4.1 can 总线的产生与发展控制器局部网（cancontroller area networ

32、k）是bosch公司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局部网，由于其卓越性能现已广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多部门。控制器局部网将在我国迅速普及推广。随着计算机硬件、软件技术及集成电路技术的迅速发展，工业控制系统已成为计算机技术应用领域中最具活力的一个分支，并取得了巨大进步。由于对系统可靠性和灵活性的高要求，工业控制系统的发展主要表现为：控制面向多元化，系统面向分散化，即负载分散、功能分散、危险分散和地域分散。分散式工业控制系统就是为适应这种需要而发展起来的。这类系统是以微型机为核心，将 5c 技术-computer（计算机技术）、control

33、（自动控制技术）、communication（通信技术）、crt（显示技术）和 change（转换技术）紧密结合的产物。它在适应范围、可扩展性、可维护性以及抗故障能力等方面，较之分散型仪表控制系统和集中型计算机控制系统都具有明显的优越性。典型的分散式控制系统由现场设备、接口与计算设备以及通信设备组成。现场总线（fieldbus）能同时满足过程控制和制造业自动化的需要，因而现场总线已成为工业数据总线领域中最为活跃的一个领域。现场总线的研究与应用已成为工业数据总线领域的热点。尽管目前对现场总线的研究尚未能提出一个完善的标准，但现场总线的高性能价格比将吸引众多工业控制系统采用。同时，正由于现场总线的

34、标准尚未统一，也使得现场总线的应用得以不拘一格地发挥，并将为现场总线的完善提供更加丰富的依据。控制器局部网 can正是在这种背景下应运而生的。由于can为愈来愈多不同领域采用和推广，导致要求各种应用领域通信报文的标准化。为此，1991 年 9 月philipssemiconductors 制订并发布了 can技术规范（version2.0）。该技术规范包括a和b 两部分。2.0a给出了曾在can技术规范版本1.2 中定义的can报文格式，而2.0b给出了标准的和扩展的两种报文格式。此后，1993 年11 月iso正式颁布了道路交通运载工具-数字信息交换-高速通信控制器局部网（can）国际标准（

35、iso11898），为控制器局部网标准化、规范化推广铺平了道路。2.4.2 can 总线特点can总线是德国bosch公司从80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速率可达1mbps。can总线通信接口中集成了can协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。can协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由

36、11 位或29 位二进制数组成，因此可以定义211或229 个不同的数据块，这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分布式控制系统中非常有用。数据段长度最多为8 个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。同时，8 个字节不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。can协议采用crc 检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。can卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设备的互连，因此，越来越受到工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一。另外，can总线采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分

37、散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。can总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息而不分主次，因此可在各节点之间实现自由通信。can总线协议已被国际标准化组织认证，技术比较成熟，控制的芯片已经商品化，性价比高，特别适用于分布式测控系统之间的数据通讯。can总线插卡可以任意插在pc、 at、xt兼容机上，方便地构成分布式监控系统。2.5 can 总线的一些基本概念（1）报文总线上的信息以不同格式的报文发送，但长度有限制。当总线开放时，任何连接的单元均可开始发送一个新报文。（2）信息路由在can 系统中，一个can 节点不使用和系统结构有关的任何信息(如站地址)，这里包含了一些重要

38、的概念：系统灵活性：节点可在不要求所有节点及其应用层改变任何软件或硬件的情况下，被接于can 网络。报文通信：一个报文的内容由其标识符id 命名。id 并不指出报文的目的，但描述数据的含义，以便网络中的所有节点借助报文滤波决定该数据是否使它们激活。成组：由于使用了报文滤波，所有节点均可接收报文，并同时被相同的报文激活。数据相容性：在can 网络内，可以确保报文同时被所有节点或没有节点接受，因此，数据的相容性是借助成组和出错处理达到的。（3）位速率can 的数据传输率在不同的系统中是不同的，而在一个给定的系统中，此速度是唯一的，并且是固定的。（4）优先权在总线访问期间，标识符定义了一个报文静态的

39、优先权。（5）远程数据请求通过发送一个远程帧，需要数据的节点可以请求另一个节点发送一个相应的数据帧，该数据帧与对应的远程帧以相同标识符id 命名。（6）多主站当总线开放时，任何的单元均可开始发送报文，发送具有最高优先权的报文单元，赢得总线的访问权。（7）仲裁当总线开放时，任何的单元均可开始发送报文，若同时有两个或更多的单元开始发送，总线仲裁运用逐位仲裁规则，借助标识符id 解决。这种仲裁可以使信息和时间均无损。若具有相同标识符的一个数据帧和一个远程帧同时发送，数据帧优先于远程帧。仲裁期间，每一个发送器都对发送位电平与总线上检测到的电平进行比较，若相同则该单元可继续发送，若发送一个“隐性”电平，

40、检测到一个“显性”电平，该单元退出仲裁，并不再传送后续位（8）安全性为获得尽可能高的数据传送安全性，在每个can 节点中均设有错误检测、标定和自检的强有力的措施。检测错误的措施包括：发送自检、循环冗余校验、位填充和报文格式检查。（9）出错标注和恢复时间已损报文由检出错误的任何节点进行标注。这样的报文将失效，并自动进行重发。如果不存在新的错误，自检出的错误至下一个报文开始发送的恢复时间最多为29 个位时间。（10）应答所有接收器均对接收报文的相容性进行检查，回答一个相容报文，并标注一个不相容的报文。睡眠方式及唤醒为降低系统功耗，can 器件可被置于无任何内部活动的睡眠方式，相当于未连接总线的驱动

41、器。睡眠状态借助任何总线激活或者系统的内部条件被唤醒而告终。在总线驱动器再次置于在线状态之前，为唤醒内部活动重新开始，传输层将等待系统振荡器至稳定状态，并一直等待至其自身同步于总线活动(通过检查11 个连续的隐位)。为唤醒系统内仍处于睡眠状态的其他节点，可使用具有最低可能标识符的专用唤醒报文：rrr rrrd rrrr，其中，r 为隐位，d 为显位。2.6 can 总线的位数值表示与通信距离can 总线中的总线数值为两种互补逻辑值之一：显性或隐性。显性数值表示逻辑0，而隐性数值表示逻辑1。如图2-1，显性和隐性位同时发送时，最后总线数值将是显性。在隐性状态下，vcan_l 和vcan_h 被固

42、定于平均电压电平，vdiff 近似等于零；在总线空闲或隐性位期间，发送隐性状态。在显性位期间，显性状态改写隐性状态并发送。can 系统内两个任意节点之间的最大传输距离与其位速率有关，见表2-1，这里的最大的通信距离是指在同一条总线上两个节点之间的距离。图2-1 can 总线位数值表示表2-1 can 系统任意两个节点之间的最大传输距离位速率最大总线长度总线定时btrobtr11mbps40m00h14h500kbps130m00h1ch250 kbps270m0lh1ch125 kbps530m03h1ch100 kbps620m43h2fh50 kbps1.3km47h2fh20 kbps3

43、.3km53h2fh10 kbps6.7km67h2fh5 kbps10km7fh7fh2.7 can 总线分层结构can 遵从osi 模型，can 结构划分为两层：数据链路层和物理层，如图2-2 所示。物理层是将ecu 连接至总线的电路实现，ecu 的总数将受限于总线上的电气负载。数据链路层划分为逻辑链路控制（llc）和媒体访问控制（mac）两部分。逻辑链路控制子层提供的功能包括：帧接收滤波，超载通知和恢复管理。媒体访问控制子层划分为发送部分和接收部分，发送部分功能包括发送数据封装和发送媒体访问管理，接收部分功能包括接收媒体访问管理和接收数据卸装。物理层划分为物理信令（pls）、物理媒体附属

44、装置（pma）和媒体相关接口（mdi）三个部分。物理信令实现与位表示、定时和同步相关的功能；物理媒体附属装置子层实现总线发送/接收的功能电路并提供总线故障监测方法；媒体相关接口实现物理媒体和媒体访问单元（mau）之间的机械和电气接口。图2-2 can 总线分层结构和功能2.8 can 总线应用系统的基本结构图2-3 所示为一个can 总线应用系统，主要有主机和各节点组成，主机和节点之间通过can 收发器及can 控制器相连，单个节点包括一个单片机控制器、一个can 收发器和一个can 控制器。其中一个典型的应用是：主机接收各节点发送的现场数据，如现场温度、电流或压力等参数，主机经过综合计算、判

45、断作出相应的控制命令，这些命令将通过can总线传送至各节点。各节点由单片机作为控制器，它用于采集现场的各项参数，并执行主机发送的各项命令，这些命令将最终传送至各执行机构，如阀门、电机或泵等。图2-3 can 总线应用系统3 系统的总体设计3.1系统的功能在本项目中，可燃气体监控系统的一个重要功能就是能够检测到可燃气体，同时本着方便使用的原则，还应该具有声光报警以及数据通讯等功能。基于这些要求，监控系统应由气体传感器、a/d转换电路、微处理器、显示器、声光报警、及数据通讯等组成。具体各项功能如下：1可燃性气体探测器可以及时准确的将可燃性气体浓度信号转换为电信号。2可燃性气体报警器能够显示可燃性气

46、体的绝对体积浓度。3当可燃性气体达到报警阈值时，可燃性气体报警器必须能够准确及时的做出报警动作。4可燃性气体报警器的报警方式为声光报警。5工作于工业现场的设备，如探测器、报警器等具有很好的防爆措施。6可燃性气体报警器监测到的现场的可燃性气体的浓度数据可以通过can总线实时地传送到上位机。3.2系统的总体框图图3-1为可燃气体监控系统的总体框图，如图所示传感器将采集的信号经过转换电路传输到单片机，经过分析将浓度数据通过数码显示，当所测浓度大于设定值时，通过蜂鸣器和发光二极管进行声光报警，同时单片机通过can总线控制器sj1000将所测数据传输到can总线上，从而传输到多媒体计算机上。图3-1系统

47、的总体框图3.3系统的实现方法(1) 利用传感器接收可燃性气体的模拟信号 (2) 单片机接收传感器检测信号，进行初步处理，如记录发生情况，声光报警，浓度显示。(3) 利用can总线实现单片机与主控计算机的通讯。4 系统的硬件设计4.1单片机控制器的选择经过比较，本人决定使用常用、廉价的单片机at89c51作为主控制器。at89c51单片机是由atmel公司生产的51单片机。简单介绍如下：at89c51是一个低电压，高性能cmos 8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（perom）和128 bytes的随机存取数据存储器（ram），器件采用atmel公司的高密度、非易失

48、性存储技术生产，兼容标准mcs-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的at89c51提供了高性价比的解决方案。 at89c51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（i/o）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，at89c51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的flash存储器可有效地降低开发成本。at89c51的引脚如图4-1。图4-1 at89c51芯片的引脚图vcc：供电电压。gnd：接地。p0口：p0口为

49、一个8位漏级开路双向i/o口，每脚可吸收8ttl门电流。当p1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。p0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在fiash编程时，p0 口作为原码输入口，当fiash进行校验时，p0输出原码，此时p0外部必须被拉高。p1口：p1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向i/o口，p1口缓冲器能接收输出4ttl门电流。p1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，p1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在flash编程和校验时，p1口作为第八位地址接收。p2口：p2口为一个内部上拉电阻的8位双向i/o口，p2口缓冲器可接

50、收，输出4个ttl门电流，当p2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，p2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。p2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，p2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，p2口输出其特殊功能寄存器的内容。p2口在flash编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。p3口：p3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向i/o口，可接收输出4个ttl门电流。当p3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，p3

51、口将输出电流（ill）这是由于上拉的缘故。p3口也可作为at89c51的一些特殊功能口，如下所示：p3.0 rxd（串行输入口）p3.1 txd（串行输出口）p3.2 /int0（外部中断0）p3.3 /int1（外部中断1）p3.4 t0（记时器0外部输入）p3.5 t1（记时器1外部输入）p3.6 /wr（外部数据存储器写选通）p3.7 /rd（外部数据存储器读选通）p3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。rst：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持rst脚两个机器周期的高电平时间。ale/prog：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在flash编程

52、期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ale端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ale脉冲。如想禁止ale的输出可在sfr8eh地址上置0。此时， ale只有在执行movx，movc指令是ale才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ale禁止，置位无效。/psen：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/psen有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/psen信号将不出现。/ea/vpp：当/ea保持低电平时，则在

53、此期间外部程序存储器（0000h-ffffh），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/ea将内部锁定为reset；当/ea端保持高电平时，此间内部程序存储器。在flash编程期间，此引脚也用于施加12v编程电源（vpp）。xtal1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。xtal2：来自反向振荡器的输出。 此单片机主要用于控制，包括响应中断、延时、判断、发送对方号码等等。4.2信号采集电路设计本文使用的气体传感器为催化燃烧式传感器，其结构原理图如图4-2。敏感部分电阻值随周围可燃性气体体积分数变化,非敏感部分电阻值和可燃性气体体积分数无关。该传感器采用恒压供电,工作电压为(2.

54、50.125)v,工作电流为150170ma。该传感器输出线性度很好,在满足设计要求的前提下不需要作额外的传感器非线性补偿处理。图4-2传感器的结构图4.3数据采集电路设计a/d转换是本系统比较关键的一步，通过a/d转换，成功的把所要测量和控制的数据采集过来，是保证系统功能可以实现的第一步。为了设计好a/d转换模块，使它达到预想的a/d转换效果，必须选定合适的a/d转换器。本设计的a/d转换电路采用了常用的8位8通道逐次逼近式a/d转换器adc0809，adc0809由8路模拟信号输入端、地址锁存与译码器、8位a/d转换器和三态输出锁存缓冲器组成。4.3.1 ad0809的功能特点分辨率为8位

55、。最大不可调误差ad08091lsb。单电源+5v供电，基准电压由外部提供，典型值为+5v，此时允许输入模拟电压为05v。具有锁存控制的8路模拟选通开关。可锁存三态输出，输出电平与ttl电平兼容，功耗15mw。转换速度取决于芯片的时钟频率。时钟频率范围500khz时，转换时间为128s。4.3.2 adc0809硬件结构adc0809的芯片引脚如图4-3。图4-3 adc0809的芯片引脚图adc0809的a/d转换过程是在时钟信号的协调下进行的。adc0809的时钟信号由clock端送入,其最高频率为640mhz,在这个最高频率下adc0809的a/d转换时间为100us左右。a/d转换结束

56、后,a/d转换的结果(8位数字量)送到三态锁存输出缓冲器,此时a/d转换结果还没有现在db0db7八条数字量输出线上,单片机不能获取之。单片机要想读到a/d转换结果,必须使adc0809的允许输出控制端oe为高电平,打开三态输出锁存器,a/d转换结果出现在db0db7上。eoc为转换结束输出信号。在a/d转换期间,eoc维持低电平,当a/d转换结束时,eoc变成高电平。adc0809的start端收到下降沿后,并不立即进行a/d转换,eoc=1,而是延迟10us后,才开始a/d转换,eoc变为低电平。单片机读取a/d转换结果的方法有三种：(1)延迟法:单片机启动adc0809后,延时130us以上,可以读到正确的a/d转换结果。(2)查询法:eoc必须接到at89c51的一条i/o线上。单片机启动adc0809后,延迟10us,检测eoc,若eoc=0则a/d转换没有结束,继续检测eoc直到eoc=1。当eoc=1时,a/d转换已经结束,单片机读取a/d转换结果。(3)中断法:eoc必须经过非门接到at89c51的中断请求输入线int0或int1上,at89c51的中断触发方式为下降沿触发。单片机启动a/d转换后可以做其它工作,当a/d转换结束时,eoc由01经过非门传到int端,at89c51收到中断请求信号,若at89c51开中断,则进入中断服务程序,在中断服务程序中单